CN113315400B - 一种三相两电平逆变器四桥臂的分时动态冗余控制方法 - Google Patents

一种三相两电平逆变器四桥臂的分时动态冗余控制方法 Download PDF

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Abstract

本发明提供了一种三相两电平逆变器四桥臂的分时动态冗余控制方法，包括如下步骤：由三个换相开关状态，确定四桥臂的冗余模式；根据三个换相开关状态和上下桥臂功率管开关状态，分析上下桥臂反向恢复二极管的并联状态，确定四桥臂的冗余工作状态；确定冗余工作状态后，为实现固定冗余桥臂和非固定冗余桥臂的状态互换，设计分动动态冗余控制的开关状态时序；由冗余模式和设计好的动态冗余控制开关时序，分配冗余控制周期T，进而实现四桥臂的分时动态冗余控制。降低逆变器硬件冗余设计整体体积，降低了功率器件的损耗与结温，并且提高了逆变器的整体可靠性，不会对功率变换性能产生任何影响。

Description

一种三相两电平逆变器四桥臂的分时动态冗余控制方法
技术领域
本发明属于逆变器领域，具体涉及一种三相两电平逆变器四桥臂的分时动态冗余控制方法。
背景技术
光伏逆变器是光伏发电系统的核心部件，光伏逆变器的低功耗、低温运行对于逆变器本机及电网的安全经济运行至关重要。逆变器中功率管故障概率最高，逆变器功率管故障会降低逆变性能，使整个系统工作异常，甚至导致系统非计划性停机，进而造成巨大的经济损失或难以估量的灾难性事故。因此，降低逆变器功率管故障概率、提高逆变器可靠性的研究具有重要的意义。
容错运行控制的三相逆变器采用四桥臂结构，无故障时三条非冗余桥臂形成全桥结构，固定冗余桥臂处于冗余不工作状态；故障时固定冗余桥臂通过换相开关并联、替代故障桥臂，两条无故障非冗余桥臂和一条固定冗余桥臂形成三相全桥结构。专利CN109756143A提供了一种三相四开关逆变器的容错控制方法及装置，该控制方法根据参考电压矢量在被划分为两个扇区的空间电压矢量图中的位置合成所述参考电压矢量的基本电压矢量，对所述逆变器进行容错控制。专利CN104578865A公开了一种三电平四桥臂T型容错变流器及其控制方法，故障状态下，控制容错桥臂相应的双向可控晶闸管导通，使冗余桥臂代替故障桥臂投入容错运行。该容错型变流器可以容错开关管和桥臂的开路、短路故障，输出功率和直流电压利用率不会降低。专利CN109756143A和专利CN104578865A所述容错运行控制技术提供了逆变器功率管故障的应对方案，可保证功率管故障前后的逆变器输出功率和性能指标不变，但逆变器无功率管故障时固定冗余桥臂长期闲置、利用率低，且固定冗余桥臂和三相换相开关的配置增大了硬件体积和设计成本。
发明内容
鉴于现有技术中的上述缺陷或不足，本发明旨在提供一种三相两电平逆变器四桥臂的分时动态冗余控制方法，针对容错运行的三相逆变器四桥臂拓扑，针对固定冗余桥臂的三相两电平逆变器的容错运行拓扑，解决其未发生功率管故障时固定冗余桥臂利用率为零的资源浪费问题和增设固定冗余桥臂引起的硬件体积较大的问题。
为了实现上述目的，本发明实施例采用如下技术方案：
一种三相两电平逆变器四桥臂的分时动态冗余控制方法，包括如下步骤：
根据三相两电平逆变器的四桥臂容错运行拓扑，由三个换相开关RA、RB、RC状态，确定四桥臂A、B、C、D的冗余模式；
根据三个换相开关状态和上下桥臂功率管开关状态(SA1、SA2、SB1、SB2、SC1、SC2、SD1、SD2)，分析上下桥臂反向恢复二极管(DA1、DA2、DB1、DB2、DC1、DC2、DD1、DD2)的并联状态，确定四桥臂的冗余工作状态；
确定冗余工作状态后，为实现固定冗余桥臂D和非固定冗余桥臂A、B、C的状态互换，设计分时动态冗余控制的开关状态时序；
由冗余模式和设计好的动态冗余控制开关状态时序，分配并确定冗余控制周期T，进而实现四桥臂的分时动态冗余控制。
根据本申请实施例提供的技术方案，根据三相两电平逆变器的四桥臂A、B、C、D容错运行拓扑,定义换相开关函数SRX，X＝A、B、C：
Figure GDA0003593636530000021
由三个换相开关RA、RB、RC或均截止、或只导通一个的开关状态，确定A冗余、B冗余、C冗余、D冗余的四种冗余模式；
定义桥臂开关组冗余状态函数SY，Y＝A、B、C、D：
Figure GDA0003593636530000022
根据换相开关和上下桥臂功率管开关状态分析上下桥臂反向恢复二极管的并联状态，获取四桥臂的七种冗余工作状态,同时七种冗余工作状态得到D桥臂工作时，与之并联的桥臂冗余，D桥臂冗余时，A、B、C三桥臂均工作。
根据本申请实施例提供的技术方案，实现并联状态的固定冗余D桥臂和非固定冗余桥臂X，X＝A、B、C的冗余状态互换包括如下步骤：
接通X相换相开关，将冗余的D桥臂并联到目标非冗余桥臂X桥臂上；交换已经并联的冗余D桥臂和非冗余X桥臂的驱动控制信号。
根据本申请实施例提供的技术方案，接通X相换相开关前，确保A、B和C换相开关均处于关断状态；确保D桥臂的上下桥臂功率管的控制信号均为低电平、上下桥臂功率管均截止；确保该目标X桥臂的上下桥臂功率管一个开通一个截止。
根据本申请实施例提供的技术方案，交换D桥臂和X桥臂的驱动控制信号需要遵循驱动控制信号互换规则：当非冗余的上桥臂的功率管截止、其控制信号为低电平时，将其驱动控制信号与冗余的上桥臂功率管的驱动控制信号互换，完成上桥臂冗余状态的互换，待非冗余的下桥臂的功率管截止、其控制信号为低电平时，将其驱动控制信号与冗余的下桥臂功率管的驱动控制信号互换，完成下桥臂冗余状态的互换；或当非冗余的下桥臂的功率管截止、其控制信号为低电平时，将其驱动控制信号与冗余的下桥臂功率管的驱动控制信号互换，完成下桥臂冗余状态的互换，待非冗余的上桥臂的功率管截止、其控制信号为低电平时，将其驱动控制信号与冗余的上桥臂功率管的驱动控制信号互换，完成上桥臂冗余状态的互换。
根据本申请实施例提供的技术方案，设计分时动态冗余控制的开关状态时序包括如下步骤：
S1，确定换向开关和桥臂开关组的初始开关状态，并从初始开关状态以正序或者逆序列出所有开关状态，形成开关状态时序；
S2，根据列出的开关状态时序，选择其中一个状态分析其正序或者逆序的转换状态，得到接通关断换向开关操作和驱动信号互换的操作顺序步骤；
S3，重复步骤S2，完成周期性的开关状态时序控制。
根据本申请实施例提供的技术方案，所述开关状态为换向开关RA、RB、RC导通截止状态和桥臂开关组工作冗余状态；正序为按照换向开关RA→RB→RC→RA的顺序循回接通关断；逆序为按照换向开关RC→RB→RA→RC的顺序循回接通关断。
根据本申请实施例提供的技术方案，确定一个开关状态时序控制操作为一个冗余控制周期，分配冗余控制周期T，完成周期性的开关状态时序控制，即完成四桥臂的分时动态冗余控制。
根据本申请实施例提供的技术方案，分配冗余控制周期T的步骤包括：
根据冗余工作状态，确定D桥臂工作三次冗余三次为一个冗余控制周期T；
将冗余控制周期T划分为各相桥臂工作时间TW和各相桥臂冗余时间TR，且TW＝3TR；
分配四桥臂各自的冗余时间tA、tB、tC和tD相等；
确定冗余周期T的取值。
根据本申请实施例提供的技术方案，所述冗余控制周期T的取值为0.1s～5s。
本发明具有如下有益效果：
本发明通过动态冗余控制方法以及四桥臂动态冗余控制时序，实现非高功率管故障逆变器四桥臂的分时动态冗余控制，针对逆变器硬件容易糊容错设计存在体积较大的问题，降低逆变器硬件冗余设计整体体积；通过改变换相开关的通断时序，利用桥臂的切换，保证总有一相处于冗余状态，从而实现整体的动态冗余控制，大幅降低了功率器件的损耗与结温，并且提高了逆变器的整体可靠性。并且通过控制冗余周期T内，四桥臂各自的冗余时间相等，保证了各功率管损耗及结温基本一致；针对已经并联的冗余和非冗余桥臂，提出了一种驱动信号互换规则，同侧桥臂冗余状态互换时，该侧两功率管均截止、其控制信号均为低电平，不仅可避免控制信号切换时会产生噪声以及电流冲击的问题，而且可保证迁移前后流经该侧桥臂两功率管的电流均为零，不会对功率变换性能产生任何影响。
附图说明
通过阅读参照以下附图所作的对非限制性实施例所作的详细描述，本发明的其它特征、目的和优点将会变得更明显：
图1为三相两电平逆变器冗余桥臂容错拓扑；
图2为基于电网电压定向的逆变器动态冗余控制策略的控制结构；
图3为X(A、B或C)桥臂和D桥臂并联关系图；
图4为X(A、B或C)桥臂和D桥臂解除并联关系图；
图5为X(A、B或C)至D相驱动控制信号转移图；
图6为D相至X(A、B或C)相驱动控制信号转移图；
图7为换相开关接通/关断状态时序图；
图8为四桥臂工作/冗余状态时序图；
图9为冗余控制周期T和结温峰值关系图；
图10为采用分时动态冗余控制方法后交流侧电流波形图；
图11为交流侧A相电流FFT分析图；
图12为采用分时动态冗余控制方法前后B相上桥臂IGBTSB1结温图；
图13为采用分时动态冗余控制方法前后DB1相结温图；
图14为采用分时动态冗余控制方法时SD1和SD2结温图；
图15为分时动态冗余控制方法的流程图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明作进一步的详细说明。可以理解的是，此处所描述的具体实施例仅用于解释相关发明，而非对该发明的限定。另外还需要说明的是，为了便于描述，附图中仅示出了与发明相关的部分。
需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。下面将参考附图并结合实施例来详细说明本发明。
一种三相两电平逆变器四桥臂的分时动态冗余控制方法，包括如下步骤：如图15所示，根据图1所示的三相两电平逆变器的四桥臂容错运行拓扑，由三个换相开关RA、RB、RC状态，确定四桥臂A、B、C、D的冗余模式；根据三个换相开关状态和上下桥臂功率管开关状态(SA1、SA2、SB1、SB2、SC1、SC2、SD1、SD2)，分析上下桥臂反向恢复二极管(DA1、DA2、DB1、DB2、DC1、DC2、DD1、DD2)的并联状态，确定四桥臂的冗余工作状态；由冗余工作状态，为实现固定冗余桥臂D和非固定冗余桥臂A、B、C的状态互换，设计分动动态冗余控制的开关状态时序；由冗余模式和设计好的动态冗余控制开关状态时序，分配冗余控制周期T，进而实现四桥臂的分时动态冗余控制。
具体地，如图2所示，模块PI调节器是一种线性控制器，比例+积分(PI)控制器，它根据给定值与实际输出值构成控制偏差，将偏差的比例和积分通过线性组合构成控制量，对被控对象进行控制。
模块dq-αβ变换，SVPWM(空间矢量脉宽调制)控制涉及到三相静止坐标系到两相静止坐标系的αβ变换，以及两相静止坐标系到两相旋转坐标系的dq变换。αβ变换(又叫Clarke变换)是一种用来简化三相电路分析的数学变换，将向量信号投影到两相静止坐标系内，应用之一是为三相逆变器的SVPWM控制生成参考信号。dq变换(又叫Park变换)与αβ变换有些类似，不同之处在于，它将向量信号投影到两相旋转的坐标系内。常常用这种方法来简化对三相同步电机的分析，简化对三相逆变器控制的计算。
模块SVPWM，经过解耦和电网电压前馈控制后，再将PI调节器的输出信号经dq-αβ变换得到uα、uβ，最后通过空间矢量脉宽调制(SVPWM)得到逆变器的驱动信号Sa、Sb、Sc，实现逆变器的并网运行。
动态冗余控制模块，即本发明所述的分时动态冗余控制方法主要用于此模块，表示对经过SVPWM调制得到的驱动信号重新分配的控制策略，即四桥臂分时动态冗余控制策略。针对两电平逆变器冗余桥臂容错拓拓扑中的固定冗余臂，通过改变换相开关的通断时序，并配合四桥臂的开关状态控制，使D相桥臂分时切换A、B、C相桥臂，实现四桥臂的分时动态冗余的控制策略。
动态冗余控制模块后连接的是两电平逆变器冗余桥臂容错拓扑。
模块PLL(Phase Locked Loop)为锁相回路或锁相环，一种反馈控制电路，利用外部输入的参考信号控制环路内部振荡信号的频率和相位
模块dq-abc是dq-abc相坐标变换模块，由三项坐标系变换到两相旋转坐标系。
具体地，三相两电平逆变器冗余桥臂容错拓扑如图1所示。动态冗余是指任一时刻，在四桥臂A、B、C、D中择一桥臂冗余、不参与逆变器的功率变换，剩余的三个桥臂作为三相全桥拓扑的三相桥臂、参与逆变器的功率变换。X(A、B或C)相换相开关RX(RA、RB或RC)导通时，D桥臂并联到X相桥臂，如图2所示，X相桥臂与D桥臂必须有一个桥臂冗余，即保持上下管截止状态；X(A、B或C)相换相开关RX(RA、RB或RC)截止时，D桥臂从X相桥臂解除并联，如图3所示。通过分时动态冗余控制方法，实现四桥臂的分时动态冗余控制，这样充分利用了冗余桥臂，变固定冗余桥臂为动态冗余桥臂提高固定冗余桥臂的利用率，变非冗余桥臂为动态冗余桥臂降低其功率管损耗和结温，与此同时，还利用固定冗余桥臂降低非冗余桥臂的电热应力，提高逆变系统的运行性能和可靠性，降低运行成本，优化散热设计和硬件布局。
在本发明一实施方式中，根据三相两电平逆变器的四桥臂A、B、C、D容错运行拓扑，定义换相开关函数SRX，X＝A、B、C：
Figure GDA0003593636530000071
由三个换相开关RA、RB、RC或均截止、或只导通一个的开关状态，确定A冗余、B冗余、C冗余、D冗余的四种冗余模式；
定义桥臂开关组冗余状态函数SY，Y＝A、B、C、D：
Figure GDA0003593636530000072
根据换相开关和上下桥臂功率管开关状态分析上下桥臂反向恢复二极管的并联状态，获取四桥臂的七种冗余工作状态,同时七种冗余工作状态得到D桥臂工作时，与之并联的桥臂冗余，D桥臂冗余时，A、B、C三桥臂均工作。
具体地，为保证总有一相桥臂冗余：三个换相开关RA、RB、RC可均截止，此时D桥臂冗余；只有换向开关RA导通，此时A桥臂或D桥臂冗余；只有换向开关RB导通，此时B桥臂或D桥臂冗余；只有换向开关RC导通，此时C桥臂或D桥臂冗余。也就是有四种冗余模式，四种冗余模式具体见表1；四种冗余模式按照规律分时段取其一，周期性轮值发生。
表1四种冗余模式
模式\桥臂 A桥臂 B桥臂 C桥臂 D桥臂
D冗余 A相桥臂 B相桥臂 C相桥臂 冗余桥臂
C冗余 A相桥臂 B相桥臂 冗余桥臂 C相桥臂
B冗余 A相桥臂 冗余桥臂 C相桥臂 B相桥臂
A冗余 冗余桥臂 B相桥臂 C相桥臂 A相桥臂
具体地，七中冗余工作状态为：三个换相开关RA、RB和RC均截止，且D桥臂上下桥臂的功率管SD1和SD2均截止时，A、B及C桥臂作为全桥结构的三相桥臂，实现D冗余模式；
三个换相开关中只有RC导通，且C桥臂上下桥臂的功率管SC1和SC2均截止时，A、B及D桥臂作为全桥结构的三相桥臂，实现DC1与DD1并联、DC2与DD2并联的C冗余模式；三个换相开关中只有RC导通，且D桥臂上下桥臂的功率管SD1和SD2均截止时，A、B及C桥臂作为全桥结构的三相桥臂，实现DC1与DD1并联、DC2与DD2并联的D冗余模式；
三个换相开关中只有RB导通，且B桥臂上下桥臂的功率管SB1和SB2均截止时，A、D及C桥臂作为全桥结构的三相桥臂，实现DB1与DD1并联、DB2与DD2并联的B冗余模式；三个换相开关中只有RB导通，且D桥臂上下桥臂的功率管SD1和SD2均截止时，A、B及C桥臂作为全桥结构的三相桥臂，实现DB1与DD1并联、DB2与DD2并联的D冗余模式；
三个换相开关中只有RA导通，且A桥臂上下桥臂的功率管SA1和SA2均截止时，D、B及C桥臂作为全桥结构的三相桥臂，实现DA1与DD1并联、DA2与DD2并联的A冗余模式；三个换相开关中只有RA导通，且D桥臂上下桥臂的功率管SD1和SD2均截止时，A、B及C桥臂作为全桥结构的三相桥臂，实现DA1与DD1并联、DA2与DD2并联的D冗余模式。
将上文所述的冗余模式和工作状态中的换向开关(RA、RB、RC)导通截止的具体数值(0或1)和桥臂开关组工作状态的工作冗余具体数值(0或1)代入换相开关函数SRX和桥臂开关组冗余状态函数SX后，得到四种冗余模式和七种冗余工作状态，基于换向开关状态和桥臂冗余状态的四种冗余模式和七种冗余状态具体见表2。
表2基于换相开关状态和桥臂冗余状态的四种冗余模式和七种冗余状态
Figure GDA0003593636530000091
在本发明一具体实施方式中，实现并联状态的固定冗余D桥臂和非固定冗余桥臂X,X＝A、B、C的冗余状态互换包括如下步骤：接通X相换相开关，将冗余的D桥臂并联到目标非冗余桥臂X桥臂上；交换D桥臂和X桥臂的驱动控制信号。
具体地，D桥臂并联到X,X＝A、B、C相桥臂或者从X,X＝A、B、C相桥臂解除并联是通过控制相应换相开关RX,X＝A、B、C实现的。通过控制换相开关RX,X＝A、B、C的接通和关断，来控制冗余的D桥臂并联到X,X＝A、B、C桥臂或者从X,X＝A、B、C桥臂接触并联。即SRX＝1表示D桥臂与X(A、B或C)桥臂并联状态，SRX＝0表示D桥臂与X(A、B或C)桥臂解除并联状态。换相开关的具体工作过程为：当A、B或C桥臂冗余结束，即D桥臂开始冗余，此时(SRA,SRB,SRC)的状态为100、010或001，当D桥臂与目标非冗余桥臂X互换时，需首先将(SRA,SRB,SRC)的(1,0,0)、(0,1,0)或(0,0,1)状态复位为(0,0,0)，即保证A相、B相和C相换相开关均处于关断状态，然后在保持D桥臂冗余的同时，接通该目标非冗余桥臂对应的的换相开关，最后进行D桥臂与X桥臂冗余状态的互换。以RA→RB→RC→RA循回通断为例，换相开关组态(SRA,SRB,SRC)依次为：(1,0,0)→(0,0,0)→(0,1,0)→(0,0,0)→(0,0,1)→(0,0,0)→(1,0,0)…
交换D桥臂和X桥臂的驱动控制信号，通过数字信号处理器(DSP,Digital SignalProcess)实现的。具体地，通过DSP控制信号，将冗余D桥臂上下两管的驱动信号强制低电平，此时D桥臂由工作状态变为冗余状态；通过DSP控制，将D桥臂原有的驱动信号给到A桥臂，此时A桥臂由冗余变为工作状态。
在本发明一具体实施方式中，接通X相换相开关前，确保A、B和C换相开关均处于关断状态；确保D桥臂的上下桥臂功率管的控制信号均为低电平、上下桥臂功率管均截止；确保该目标X桥臂的上下桥臂功率管一个开通一个截止。
具体地，接通X相换相开关前，确保A、B和C换相开关均处于关断状态，以避免线间短路。实现冗余状态互换的两桥臂，D桥臂和X(X＝A、B、C)桥臂构成一对可进行冗余状态互换的桥臂，一条为冗余桥臂，一条为非冗余桥臂，非冗余桥臂的上下功率管控制信号的状态逻辑相反、确保上下管一个开通一个截止，冗余桥臂的上下功率管的控制信号均为低电平、确保上下管一个开通一个截止。即X相换相开关接通时，必须确保这对可进行冗余状态互换的桥臂一个冗余一个工作，禁止两个桥臂均工作，以避免同侧异相功率管形成环路，或异侧异相功率管导通导致的直流母线短路。
在本发明一具体实施方式中，交换冗余的D桥臂和非冗余的X桥臂的驱动控制信号需要遵循驱动控制信号互换规则。
具体的，如图5和图6所示，已经并联的冗余桥臂和非冗余桥臂，驱动控制信号互换规则为：当非冗余的上桥臂的功率管截止、其控制信号为低电平时，将其驱动控制信号与冗余的上桥臂功率管的驱动控制信号互换，完成上桥臂冗余状态的互换，待非冗余的下桥臂的功率管截止、其控制信号为低电平时，将其驱动控制信号与冗余的下桥臂功率管的驱动控制信号互换，完成下桥臂冗余状态的互换；或当非冗余的下桥臂的功率管截止、其控制信号为低电平时，将其驱动控制信号与冗余的下桥臂功率管的驱动控制信号互换，完成下桥臂冗余状态的互换，待非冗余的上桥臂的功率管截止、其控制信号为低电平时，将其驱动控制信号与冗余的上桥臂功率管的驱动控制信号互换，完成上桥臂冗余状态的互换。
具体地，同侧桥臂冗余状态互换时，该侧两功率管均截止、其控制信号均为低电平，不仅可避免控制信号切换时会产生噪声以及电流冲击的问题，而且可保证迁移前后流经该侧桥臂两功率管的电流均为零，不会对功率变换性能产生影响。
在本发明一具体实施方式中，设计分时动态冗余控制的开关状态时序包括如下步骤：
S1，确定换向开关和桥臂开关的初始开关状态，并从初始开关状态以正序或者逆序列出所有开关状态，形成开关状态时序；
S2，根据列出的开关状态时序，选择其中一个状态分析其正序或者逆序的转换状态，得到接通关断换向开关操作和驱动信号互换的操作顺序步骤；
S3，重复步骤S2，完成周期性的开关状态时序控制。
在本发明一具体实施方式中，所述开关状态为换向开关(RA、RB、RC)导通截止状态和桥臂开关组工作冗余状态；正序为按照换向开关RA→RB→RC→RA的顺序循回接通关断；逆序为按照换向开关RC→RB→RA→RC的顺序循回接通关断。
在本发明一具体实施方式中，确定一个开关状态时序控制操作为一个冗余控制周期，分配控制周期T，完成周期性的开关状态时序控制，即完成四桥臂的分时动态冗余控制。
具体的，初始状态时三个换相开关关断，D桥臂冗余，A桥臂、B桥臂及C桥臂工作，有SRASRBSRCSASBSCSD＝0001110；可以按照正序冗余控制或逆序冗余控制进行开关状态控制，正序开关状态时序为0001110→1001110→1000111→1001110→0001110→0101110→0101011→0101110→0001110→0011110→0011101→0011110→0001110；逆序开关状态时序为0011110→0011101→0011110→0001110→0101110→0101011→0101110→0001110→1001110→1000111→1001110→0001110。
0001110的次态可以是0011110、0101110或1001110。从正序开关状态时序或者逆序开关状态时序中选择一个作为初始状态时序，并依次分析其至其次态状态转变是进行的接通关断换向开关操作、驱动信号互换的操作，得到操作的具体步骤和顺序。即为一个控制周期的操作，周期性重复这些操作实现桥臂的分时动态冗余控制。
在本发明一具体实施例中，以正序、0001110的次态1001110为例，说明分时动态冗余控制的开关状态时序设计过程。首先列出开关状态时序
0001110→1001110→1000111→1001110→0001110→0101110→0101011→0101110→0001110→0011110→0011101→0011110→0001110，同时为便于分析画出动态冗余控制循环时序图，如图7和图8所示。
(1)t0时刻，令SRA＝1，接通换相开关RA，将D桥臂并联到A桥臂，使SRASRBSRCSASBSCSD由0001110转换为1001110；
(2)t1时刻开始，按照并联的冗余与非冗余桥臂的驱动控制信号互换规则，使SRASRBSRCSASBSCSD由1001110转换为1000111，将冗余桥臂迁移到A桥臂；
(3)t2时刻，按照并联的冗余与非冗余桥臂的驱动控制信号互换规则，使SRASRBSRCSASBSCSD由1000111转换为1001110，将冗余桥臂迁移回D桥臂；
(4)t3时刻，关断换相开关RA，使SRASRBSRCSASBSCSD由1001110转换为0001110；
(5)t4时刻，令SRB＝1，接通换相开关RB，将D桥臂并联到B桥臂，使SRASRBSRCSASBSCSD由0001110转换为0101110；
(6)t5时刻开始，按照并联的冗余与非冗余桥臂的驱动控制信号互换规则，使SRASRBSRCSASBSCSD由0101110转换为0101011，将冗余桥臂迁移到B桥臂；
(7)t6时刻，按照并联的冗余与非冗余桥臂的驱动控制信号互换规则，使SRASRBSRCSASBSCSD由0101011转换为0101110，将冗余桥臂迁移回D桥臂；
(8)t7时刻，关断换相开关RB，使SRASRBSRCSASBSCSD由0101110转换为0001110；
(9)t8时刻，令SRC＝1，接通换相开关RC，将D桥臂并联到C桥臂，使SRASRBSRCSASBSCSD由0001110转换为0011110；
(10)t9时刻开始，按照并联的冗余与非冗余桥臂的驱动控制信号互换规则，使SRASRBSRCSASBSCSD由0011110转换为0011101，将冗余桥臂迁移到C桥臂；
(11)t10时刻，按照并联的冗余与非冗余桥臂的驱动控制信号互换规则，使SRASRBSRCSASBSCSD由0011101转换为0011110，将冗余桥臂迁移回D桥臂；
(12)t11时刻，关断换相开关RC，使SRASRBSRCSASBSCSD由0011110转换为0001110；
(13)上述12个步骤为一个冗余控制周期T，重复执行。
由此得到接通关断换向开关操作、驱动信号互换的操作的具体步骤和顺序为：
(1)t0时刻，接通换相开关RA；
(2)t1时刻开始，冗余的D桥臂和与之并联的A桥臂驱动信号互换；
(3)t2时刻，冗余的A桥臂和与之并联的D桥臂驱动信号互换；
(4)t3时刻，关断换相开关RA；
(5)t4时刻，接通换相开关RB；
(6)t5时刻开始，冗余的D桥臂和与之并联的B桥臂驱动信号互换；
(7)t6时刻，冗余的B桥臂和与之并联的D桥臂驱动信号互换；
(8)t7时刻，关断换相开关RB；
(9)t8时刻，接通换相开关RC；
(10)t9时刻开始，冗余的D桥臂和与之并联的C桥臂驱动信号互换；
(11)t10时刻，冗余的C桥臂和与之并联的D桥臂驱动信号互换；
(12)t11时刻，关断换相开关RC；
(13)上述12个操作为一个冗余控制周期T，重复执行。
在本发明一具体实施方式中，分配冗余控制周期T的步骤包括：根据冗余工作状态，确定D桥臂工作三次冗余三次为一个冗余控制周期T；将冗余控制周期T划分为各相桥臂工作时间TW和各相桥臂冗余时间TR,且TW＝3TR；分配四桥臂各自的冗余时间tA、tB、tC和tD相等；确定冗余周期T的取值。
具体地，为保证一个冗余控制周期T内每相桥臂接入主电路时间相同，分配四桥臂各自的冗余时间tA、tB、tC和tD相等，则D桥臂代替X,X＝A、B、C桥臂冗余的时长Δ＝0.25T，X(A、B和C)桥臂冗余的时长为T-Δ＝0.75T。为保证各相工作时间和冗余时间相等，结合上文所述的具体实施例，确定t1-t0＝t5-t4＝t9-t8，t3-t2＝t7-t6＝t11-t10，t2-t1＝t6-t5＝t10-t9。即，tD＝t5-t2+t9-t6+t13-t10＝0.25T，tA＝t2-t1＝0.25T，tB＝t6-t5＝0.25T，tC＝t10-t9＝0.25T。
在本发明一具体实施方式中，所述冗余控制周期T的取值为0.1s～5s。
建立仿真模型，在T取不同值时对结温峰值进行观察，如图9所示，结温峰值的虑换向开关的开断能力及结温决定的逆变器电热可靠性，冗余控制周期T取0.1s～5s。具体地，冗余控制周期T理论上越小越好，但是限制于换相开关的延时，即三个换相开关均存在延时动作的特性，冗余切换周期不能设置过小，因此冗余控制周期大于等于0.1s；周期范围在0.1s～5s之间时，期间结温峰值总体上呈现缓慢递增的趋势；当周期大于5s时，结温峰值基本上处于稳定值，并且当冗余切换周期选择过大时，冗余桥臂无法起到降低结温作用。
动态冗余控制的仿真测试：在Simulink/Plecs环境下搭建Simulink-Plecs联合仿真模型，该仿真模型具体参数设置如下：逆变器输出功率为10kw，电网侧交流工频相电压有效值u＝220V，逆变器开关频率为15kHz，LCL无源阻尼滤波器参数设定分别为L1＝3.5mH，C＝3.3μF，L2＝0.7mH，Rd＝4.7Ω。设定初始环境温度为25℃。t1-t0＝t3-t2＝t4-t3＝0.02/3s，t4-t0＝0.08s。
表3为逆变桥中IGBT及反并联二极管在有无动态冗余控制的情况下的结温情况。
表3器件结温情况
Figure GDA0003593636530000141
Figure GDA0003593636530000151
该逆变器模型的交流侧输出电流波形如图10所示，A相输出电流的FFT分析如图11所示。
由图10及图11可知，模型稳定运行时，逆变器交流侧输出电流波形为光滑正弦波，基本无畸变。采用动态冗余控制策略后，逆变器交流侧输出A相电流THD(总谐波失真)为1.68％，低于5％，满足要求。说明动态冗余控制策略不会对输出电能质量造成明显影响，达到预期效果。
图12采用分时动态冗余控制方法前后B相上桥臂IGBT SB1结温图。由图12可知，采用动态冗余控制方法后逆变桥功率器件IGBT(Insulated Gate Bipolar Transistor，绝缘栅双极型晶体管)结温明显下降，经对比可看出，B相上桥臂IGBT SB1稳定结温峰值由采用普通控制策略的86.2℃降至73.6℃，下降12.6℃，降温效果明显。
图13为采用分时动态冗余控制方法前后D B1相结温图，由图13可知，SB1反并联二极管DB1结温也出现明显下降，其结温峰值由之前的80.9℃降至68.2℃，下降12.7℃。
由图12-13可知，从19.273s时，B相桥臂成为动态冗余桥臂。此时B相IGBT处于开路状态，无电流通过，故IGBT结温降低。此时B相反并联二极管和D相相应反并联二极管并联后与其他器件构成续流回路，仍有电流通过，二极管电流值为B相IGBT正常导通时的1/2，故此时B相反并联二极管的结温峰值下降，结温波动趋势下降。
图14为采用分时动态冗余控制方法时S D1和SD2结温图，用本申请所述的分时动态冗余控制方法后，因D桥臂周期性接入主电路，故D相IGBT结温呈周期性波动。其中SD1、SD2结温峰值分别为69.1℃、69℃，SD1、SD2结温曲线一致，说明本文提出的动态冗余控制策略可行。同时结合表3知，相较未采用分时动态冗余控制方法时，三相IGBT结温降低。
结合图12-14和表3可以看出通过采用动态冗余控制策略，能有效降低器件结温，进而提高其可靠性。
以上描述仅为本发明的较佳实施例以及对所运用技术原理的说明。本领域技术人员应当理解，本发明中所涉及的发明范围，并不限于上述技术特征的特定组合而成的技术方案，同时也应涵盖在不脱离所述发明构思的情况下，由上述技术特征或其等同特征进行任意组合而形成的其它技术方案。例如上述特征与本发明中公开的(但不限于)具有类似功能的技术特征进行互相替换而形成的技术方案。

Claims (9)

1.一种三相两电平逆变器四桥臂的分时动态冗余控制方法，其特征在于，包括如下步骤：
根据三相两电平逆变器的四桥臂容错运行拓扑，由三个换相开关RA、RB、RC状态，确定四桥臂A、B、C、D的冗余模式；
根据三个换相开关状态和上下桥臂功率管开关状态(SA1、SA2、SB1、SB2、SC1、SC2、SD1、SD2)，分析上下桥臂反向恢复二极管(DA1、DA2、DB1、DB2、DC1、DC2、DD1、DD2)的并联状态，确定四桥臂的冗余工作状态；
确定冗余工作状态后，为实现固定冗余桥臂D和非固定冗余桥臂A、B、C的状态互换，设计分时动态冗余控制的开关状态时序；
由冗余模式和设计好的动态冗余控制开关状态时序，分配并确定冗余控制周期T，进而实现四桥臂的分时动态冗余控制；
其中，分配冗余控制周期T的步骤包括：
根据冗余工作状态，确定D桥臂工作三次冗余三次为一个冗余控制周期T；
将冗余控制周期T划分为各相桥臂工作时间TW和各相桥臂冗余时间TR，且TW＝3TR；
分配四桥臂各自的冗余时间tA、tB、tC和tD相等；
确定冗余周期T的取值。
2.根据权利要求1所述的一种三相两电平逆变器四桥臂的分时动态冗余控制方法，其特征在于，根据三相两电平逆变器的四桥臂A、B、C、D容错运行拓扑，定义换相开关函数SRX，X＝A、B、C：
Figure FDA0003593636520000011
由三个换相开关RA、RB、RC或均截止、或只导通一个的开关状态，确定A冗余、B冗余、C冗余、D冗余的四种冗余模式；
定义桥臂开关组冗余状态函数SY，Y＝A、B、C、D：
Figure FDA0003593636520000012
根据换相开关和上下桥臂功率管开关状态分析上下桥臂反向恢复二极管的并联状态，获取四桥臂的七种冗余工作状态,同时七种冗余工作状态得到D桥臂工作时，与之并联的桥臂冗余，D桥臂冗余时，A、B、C三桥臂均工作。
3.根据权利要求1所述的一种三相两电平逆变器四桥臂的分时动态冗余控制方法，其特征在于，实现并联状态的固定冗余D桥臂和非固定冗余桥臂X，X＝A、B、C的冗余状态互换包括如下步骤：
接通X相换相开关，将冗余的D桥臂并联到目标非冗余桥臂X桥臂上；交换已经并联的冗余D桥臂和非冗余X桥臂的驱动控制信号。
4.根据权利要求3所述的一种三相两电平逆变器四桥臂的分时动态冗余控制方法，其特征在于，接通X相换相开关前，确保ABC换相开关均处于关断状态；确保D桥臂的上下桥臂功率管的控制信号均为低电平、上下桥臂功率管均截止；确保该目标X桥臂的上下桥臂功率管一个开通一个截止。
5.根据权利要求3所述的一种三相两电平逆变器四桥臂的分时动态冗余控制方法，其特征在于，交换D桥臂和X桥臂的驱动控制信号需要遵循驱动控制信号互换规则：当非冗余的上桥臂的功率管截止、其控制信号为低电平时，将其驱动控制信号与冗余的上桥臂功率管的驱动控制信号互换，完成上桥臂冗余状态的互换，待非冗余的下桥臂的功率管截止、其控制信号为低电平时，将其驱动控制信号与冗余的下桥臂功率管的驱动控制信号互换，完成下桥臂冗余状态的互换；或当非冗余的下桥臂的功率管截止、其控制信号为低电平时，将其驱动控制信号与冗余的下桥臂功率管的驱动控制信号互换，完成下桥臂冗余状态的互换，待非冗余的上桥臂的功率管截止、其控制信号为低电平时，将其驱动控制信号与冗余的上桥臂功率管的驱动控制信号互换，完成上桥臂冗余状态的互换。
6.根据权利要求2所述的一种三相两电平逆变器四桥臂的分时动态冗余控制方法，其特征在于，设计分时动态冗余控制的开关状态时序包括如下步骤：
S1，确定换向开关和桥臂开关组的初始开关状态，并从初始开关状态以正序或者逆序列出所有开关状态，形成开关状态时序；
S2，根据列出的开关状态时序，选择其中一个状态分析其正序或者逆序的转换状态，得到接通关断换向开关操作和驱动信号互换的操作顺序步骤；
S3，重复步骤S2，完成周期性的开关状态时序控制。
7.根据权利要求6所述的一种三相两电平逆变器四桥臂的分时动态冗余控制方法，其特征在于，所述开关状态为换向开关RA、RB、RC导通截止状态和桥臂开关组工作冗余状态；正序为按照换向开关RA→RB→RC→RA的顺序循回接通关断；逆序为按照换向开关RC→RB→RA→RC的顺序循回接通关断。
8.根据权利要求6所述的一种三相两电平逆变器四桥臂的分时动态冗余控制方法，其特征在于，确定一个开关状态时序控制操作为一个冗余控制周期，分配冗余控制周期T，完成周期性的开关状态时序控制，即完成四桥臂的分时动态冗余控制。
9.根据权利要求1所述的一种三相两电平逆变器四桥臂的分时动态冗余控制方法，其特征在于，所述冗余控制周期T的取值为0.1s～5s。
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